氮气吸附法在测定材料比表面积和孑L径分布方面的应用原理

谢潇

摘要：比表面积和孔径分布代表着材料的微观结构特征，是表征多孔材料特性的两个重要参数。氮气吸附法是一种研究固体材料结构特性的有效手段。从理论出发，介绍了氮气吸附法在测定材料比表面积和孔径分布方面的应用原理。

关键词：氮气吸附法;孔径分布;比表面积;应用原理

中图分类号：TB30

文献标识码：A

DOI：10.15913/j .cnki.kj ycx.2019.09.003

1 引言

材料的比表面积指的是单位质量土体的总表面积，一般来说多孔材料的比表面积代表其所有孔隙表面积的总和。其值的大小与颗粒形态和外观相关。孔径分布是单位质量材料孔隙体积随孔径的变化率。比表面积和孔径分布一定程度上代表着材料的微观结构特征，并且对材料的许多宏观特性有很大的影响[1-3]。因而，准确测定材料的比表面积和孔径分布对于材料的宏观物理力学特性等具有十分重要的意义。

多孔材料的比表面积和孔隙形貌的测定方法主要有压汞法、气体吸附法、流体通过法、X射线层析摄像（照相）法和显微观测统计法等[3]。后两者是先获得微结构照片，然后再利用图像分析处理软件等对获得的图片进行处理和统计，得到土体的比表面积和孔径分布特征，缺点是对图像处理技术的要求比较高，过程复杂。气体吸附法、压汞法、流体通过法可从实验测试结果中直接对数据进行处理，得到孔径分布及比表面积等。而压汞法所产生的废汞若处理不当会对环境造成一定的破坏;流体通过法受多种因素的影响，一般测得的结果偏低;而氮气吸附法的应用范围广，是一种研究固体材料结构特性的重要且有效手段[4]。该方法借助氮分子作为一个标尺，来度量材料的表面积与孔容[5]。可用于测量大约0.1 -2 000 m2/g范围内的比表面积以及3- 200 nm范围内的孔径[5]。其测试原理科学，测试过程可靠，在多孔材料的比表面积及孔径分布测定中发挥了重要的作用。

2 氮气吸附法测量比表面积原理

吸附法依据的是气体分子的吸附特性。液氮温度下（- 196.15℃），氮气通过单纯的物理吸附，吸附于吸附剂的表面，等温度恢复到室温，吸附的氮气会脱附出来[6]。可以假定吸附在吸附剂表面的氮气正好是一个分子层，如果知道每一个氮分子的横截面积，则氮气吸附的比表面积S_g公式为：

在式（2）中，比表面积S_g的单位为cm2。

从上面的描述可以看出，如果需要计算某材料的比表面积，须知道氮气在其孔隙内表面的单层吸附量V_m。实际在大多数情况下，氮气在材料的孔隙中并非是单层吸附，也就是材料表面吸附的氮气可能是两层或者更多分子层。

可将第一层吸附热假定为定值，第二及以上各层的吸附热为另一定值，在这种条件下，通过对气体吸附过程进行热力学与动力学分析，得出氮气在材料的孔隙中真实吸附的体积V与单层吸附体积V_m之间的关系，即为著名的BET方程，具体公式为：

4 结论

氮气吸附法的测试原理是依据气体在固体表面的吸附特性，该方法是一种测量多孔材料比表面积和孔径分布的最常用且有效的手段，适合测试材料的微中孔隙，以分析材料的微观结构特征。

参考文献：

[l]朱建群，易亮，龚琰，等.贵州红黏土的胀缩性与水敏性研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2016 （4）：35-39.

[2]钱立义.红黏土比表面积试验研究[D].桂林：桂林理工大学，2015.

[3]刘培生.多孔材料比表面积和孔隙形貌的测定方法[J].稀有金属材料与工程，2006，35 （Supp12）： 25-29.

[4]張福钢.基于氮气吸附法的混凝土微观结构试验研究[J].河南建材，2013（2）：42-44.

[5]舒霞，汤文明，程继贵，等.比表面与孔径分析仪的应用与管理[J].实验室研究与探索，2011.30（ 10）： 201-203.

[6]钟家湘.超细粉体的表面特征及我国测试仪器的进展[C]//2007年全国粉体工业技术大会，2007.